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1、 1 随机信号处理基础 伪随机相位编码连续波雷达的信号处理 姓 名 学 号 院 系 专 业 指导老师 完成时间 2 一 实验内容一 实验内容 伪随机相位编码连续波雷达的信号处理 设码频为08 单位为 MHz 伪码周期内码长为 127 雷达载频为 10GHz 输入噪声为高斯白噪声 目标模拟分单目标和双目标两种情况 目标回波 输入信噪比可变 35dB 10dB 目标速度可变 0 1000m s 目标幅度可变 1 100 目标距离可变 0 10000m 相干积累总时宽不大于 10ms 单目标时 给出回波视频表达 式 脉压和 FFT后的表达式 仿真m序列的双值电平循环自相关函数 给出脉压后和 FFT
2、后 的输出图形 通过仿真说明脉压输出和 FFT输出的 SNR 时宽和带宽 仿真说明脉压时多卜勒敏 感现象和多卜勒容限及其性能损失 脉压主瓣峰值与多卜勒的曲线 双目标时 仿真出大目标 旁瓣掩盖小目标的情况 仿真出距离分辨和速度分辨的情况 二 实验环境二 实验环境 1 windows10 操作系统 2 MATLAB R2009a academic use 三 实验原理三 实验原理 1 1 单目标 单目标 1 1 回波视频表达式 0 cos 2 2 rd S tAc tf tf t 脉压后的表达式 RE S t S t FFT后的表达式 j t SR t edt 2 伪随机相位编码信号 伪随机相位编
3、码信号 m序列 最长线性移位寄存器序列 是一种伪随机序列 伪噪声 PN 码或伪随机码 它容易 产生 规律性强 有很好的自相关性和较好的互相关特性 若周期 m 序列的每个码元宽度为 T 则它的自相关函数是周期为 PT 的周期三角函数 线性移位寄存器是由移位寄存器加上 反馈后产生的 对于一个 n 级反馈移位寄存器来说 最多可以有 2 n 个状态 对于一个线 性反馈移位寄存器来说 全 0 状态不会转入其他状态 所以线性移位寄存器的序列的最长周期 为 2 n 1 相位编码信号码元宽度Tb 127 1 fm 1 8M 0 125us 伪码信号一周期的脉冲数P 2 n 1 2 7 1 127 相位编码周期
4、T PTb 127 0 125 s 15 875 s 由于相干积累总时宽 t 10ms 重复 周期数 N t T N 629 3 匹配滤波器 匹配滤波器 基本思想 是寻求线性滤波器的最佳传递函数 白噪声中含已知波形的混合波形作为滤波 器输入时滤波器输出的波形在某时刻可达最大信噪比 匹配滤波器的冲激响应是输入信号波形对纵轴作镜像函数 并沿时间轴向右平移一段时间 滤波器的振幅特性与信号的振幅谱一致 因此 对信号的匹配滤波相当于对信号进行自相关运算 匹配滤波器对信号做两种处理 1 滤波器的相频特性与信号相频特性共轭 使得输出信号所有频率分量都在输出端同相 叠加而形成峰值 2 按照信号的幅频特性对输入
5、波形进行加权 以便最有效地接收信号能量而抑制干扰的 输出功率 即当信号与噪声同时进入滤波器时 它使信号成分在某一瞬间出现尖峰值 而噪声 成分受到抑制 匹配滤波器的作用是 1 输出信号相对增强 噪声相对减弱 从而提高信噪比 2 对于大时间带宽积信号 匹配滤波等效于脉冲压缩 因此可以提高雷达或声纳的距离 分辨率和距离测量精度 在扩频通信中 可以实现解扩 3 3 脉冲压缩技术可以解决雷达作用距离和距离分辨率的矛盾 脉宽越大 作用距离越大 但雷达分辨率会降低 N 点的 FFT 就相当于构建了 N 个频率相邻不同的正弦波匹配滤波器 来匹配一个频率 未知的正弦波 看哪一个滤波器输出最大 那么该滤波器中心频
6、率即为输入正弦波的频率 4 多普勒敏感现象 多普勒敏感现象 概念 MF 对频移信号没有适应性 伪随机 m 序列信号存在伪码调相信号所具有的多普勒 敏感问题 其信号的模糊函数近似图钉型 随着多普勒频移的增加 相关处理后输出的主 瓣峰值下降 旁瓣增加 主旁瓣比降低 SNR 也有一定损失 严重时使雷达无法正常工作 解决办法 1 多普勒补偿 变本振 静止目标变运动 影响对消 2 修正匹配滤波器 移动模糊图原点 匹配滤波器太多 3 消除多普勒电路 非线性 影响邻近分辨 4 补偿式旁瓣抑制滤波器 对应失配输出进行抑制 5 多普勒容限 多普勒容限 定义 当多普勒频率存在时 在匹配距离门内虽然不能得到最大的输
7、出信噪比 但显然在 某 一个频率区间内相关积累还是有效的 则这一区间为多普勒容限 伪码调相信号的多普勒容限与压缩比 D 与码元宽度有关 压缩比是由子脉冲数决定的 子 脉冲数越大 多普勒敏感性越大 选择大的压缩比必然多普勒容限减小 码长一定的情况下 码元宽度 减小 信号对多普勒的敏感性减弱 减小码元宽度是扩展多普勒容限的一种方法 理论上 主瓣幅度下降 3 94dB 时 Tpc 1 2 fd max 2 2 双目标 双目标 相关积累实际上是一种匹配滤波的思想 匹配滤波器根据输入信号的波形设计 本质上是信号与自 身相乘累加得到的输出最大 通过视频回波信号与某个距离门参考码字完全匹配 实现信号的有效
8、积累 1 距离分辨 距离分辨 保持两个目标的速度相同 各个距离门上的参考码是由发射码字依次经过延迟一个码元 时间得到的 每个距离门依次相差一个码元时间 故距离分辨 d Tb c 2 0 125 s 3 10 8 m s 2 18 75m 从而可进一步求得最 大测量距离 dmax 并根据测距速范围考虑距离模糊的问题 验证距离d Y Tb c 2 2 2 速度分辨速度分辨 保持两个目标的距离相同 对 N 点进行作 FFT 可得此关系式 K N fd PTb 其中K 为 距离门序数 由于 f d 2 v 可得当 K 1 时 v K 2 N P Tb 0 74 m s 从 而可进一步求得最大测量速度V
9、max 并根据测速范围考虑速度模糊的问题 验证速度v K 2 N P Tb 3 大目标的幅度是小目标的几十倍时 大目标旁瓣会掩盖小目标 于是从 FFT 后的输出图 形上只能观察到一个目标 四 仿真过程与结果四 仿真过程与结果 1 1 单目标 单目标 1 m 序列的双值电平循环自相关函数序列的双值电平循环自相关函数 一周期内 m 序列双值电平自相关函数如下图 可见脉压增益等于时宽带宽积 G B 1 Tb 1 127 127 高度下降到一半时 3dB 带宽正好等于 127 5 126 5 Tb 127 4 内插进三个点 便于观察脉压以后的时宽 如下图 时宽为 2 756 2 633 xTb 0 1
10、23x0 125us 0 015375us 占空比 100 的双值电平发射脉冲波形如下图 重复周期个数为629 单脉冲内的子脉冲个数 为 127 5 m 序列周期性自相关函数如下图 2 回波 回波 有延迟 d 5000m tr 2d c snr 10 的回波波形 受多普勒调制 v 2m s fd 2v 6 加入噪声 3 脉压后和 脉压后和 FFT 后的输出图形 后的输出图形 脉压后 d 1000m v 2m s A 1 snr 10dB 7 FFT 后 d 1000m v 2m s A 1 snr 10dB 8 4 脉压输出和 脉压输出和 FFT 输出的输出的 SNR 时宽和带宽 时宽和带宽
11、MF 信号增益 脉压信号的时宽带宽积 脉压的时宽压缩比 脉压的带宽压缩比 理论上 MF 增益G B 1 Tb 1 127 127 21 04dB 仿真 G 126 8 127 误差不大 而信号功率为最大的瞬时功率即最高主瓣峰值的平方 理论上 FFT 增益 复信号G 10 log10 N 27 98 实信号G 10 log1 0 N 2 仿真 G 3287 126 8 28 4 25 92 误差不大 压缩比代表输出功率信噪比比输入信噪比的改善程度 理想压缩器对具有随机特性的输入高 斯 白噪声不会产生压缩作用 故输出随机噪声的平均功率保持在输入随机噪声功率的电平上 说 明相位编码信号脉压后 输出信
12、噪比是输入信噪比的D倍 也就是提高了10log1 0 D dB 输出 SNR dB 输入 SNR dB 增益值 dB 当输入信噪比 snr0 为 10dB 时 9 1 脉压后 理论上 snr1 snr0 G snr0 10 xlog10 127 snr0 21 04 31 04dB 仿真 snr1 31 03dB 与理论值相比 误差很小 2 FFT 后 理论上 snr2 snr1 G snr1 10 xlog10 15 31 04 27 98 59 02dB 仿真 snr1 56 95dB 与理论值相比 误差很小 脉压后时宽比 D PTb Tb P 相位编码信号带宽B 1 Tb 取决于子脉冲宽
13、度 相位编 码信号时宽带宽积 D PTb 1 Tb P 对于相位编码信号 时宽带宽积 输入输出时宽 比值 相位编码信号压缩比 FFT 后 距离方向上看时宽 时宽不变 速度方向上看带宽 带宽取主瓣峰值下降一半时 的 3dB 带宽 内插三个点 便于观察 FFT 后的时宽和带宽 如下图 时宽为 3 528 2 633 xTb 1 083x0 125us 0 1354us 如下图 带宽为 2 264 1 728 x1 Tb 0 536x8M 4 288MHz 4 脉压时多卜勒敏感现象和多卜勒容限及其性能损失 脉压主瓣峰值与多卜勒的曲线 脉压时多卜勒敏感现象和多卜勒容限及其性能损失 脉压主瓣峰值与多卜勒
14、的曲线 伪随机 m 序列信号存在伪码调相信号所具有的多普勒敏感问题 随着多普勒频移的增加 脉压后输出的主瓣峰值下降 旁瓣增加 主旁瓣比降低 SNR 也有一定损失 仿真 fd 0 主瓣峰值为 127 21 04dB 10 fd 1KHz fd 3KHz 11 fd 5KHz 12 绘制脉压主瓣高度与多普勒的曲线如下图 取了7组数据 fd 依次增加 20KHz 在高度下降 3 94dB 时得到多普勒容限 1 2PTb 39 5KHz 与仿真结果相差不大 2 2 双目标 双目标 1 1 大目标旁瓣未掩盖小目标 大目标旁瓣未掩盖小目标 幅度都为 1 距离和速度都不相同 d1 2000m d2 8000
15、m v1 8m s v2 6m s 图中 可以看到大目标和小目标 2 大目标旁瓣掩盖小目标 大目标旁瓣掩盖小目标 大目标幅度为 1 小目标幅度为 100 距离和速度都不相同 d1 2000m d2 8000m v1 8m s v2 6m s 图中只能看到大目标 小目标被掩盖 13 3 距离分辨 距离分辨 保持两个目标的速度相同 各个距离门上的参考码是由发射码字依次经过延迟一个码元时间得到的 每个距离门依次相差一个码元时间 故距离分辨 d Tb c 2 0 125 s 3 10 8 m s 2 18 75m 1 幅度都为 1 速度相同 v1 v2 5m s 距离不相同 d1 2000m d2 8
16、000m 此时图中可以分辨出两个目标 2 幅度都为 1 速度相同 v1 v2 5m s 距离不相同 d1 7990m d2 8000m 14 此时图中不可以分辨出两个目标 4 速度分辨 速度分辨 保持两个目标的距离相同 对 N 点进行作 FFT 可得此关系式 K N fd PTb 其中 K 为 距离门序数 由于 f d 2 v 可得当 K 1 时 v K 2 N P Tb 1 57m s 1 幅度都为 1 距离相同 d1 d2 8000m 速度不相同 v1 2m s v2 15m s 此时图中可以分辨出两个目标 2 幅度都为 1 距离相同 d1 d2 8000m 速度不相同 v1 4m s v2 5m s 此时图中不可以分辨出两个目标 两个信号有所重叠 15 五 源程序五 源程序 1 m 序列双值电平循环自相关函数序列双值电平循环自相关函数 clear all close all clc 条件 fm 8e6 码频 fc 10e9 载频 c 3e8 光速 t 10e 3 相干积累总时宽 T 1 fm 127 相位编码周期 N 629 周期重复次数 t T m序列产 connection
